11. Workshop Krematorien 9. und 10. April 2014 in Bremen Neue Anforderungen an Brennersteuerungen für Kremationsöfen unter Berücksichtigung der neuen VDI 3891 (Stand März 2013) Rainer Janßen eneg Vertrieb und Service GmbH Hamburg
Inhalt Herleitung aus der VDI 3891 Anforderungen aus der DIN EN 50156-1 Anforderungen aus der DIN EN 746-2 Berechnungen Fragen zur Umsetzung in Krematorien Zusammenfassung und Fragen 2
VDI 3891 Stand März 2013 Unter Punkt 5.8 (Prozesssteuerung) wird aufgeführt: Hinsichtlich der geforderten Sicherheitsstrategie ist die Prozesssteuerung auf folgende Zielsetzungen auszurichten: Schutz des Betriebspersonals Einhaltung der genehmigungsrechtlichen Auflagen, insbesondere der Emissionsgrenzwerte Schutz der anlagentechnischen Bauteile 3
VDI 3891 Stand März 2013 Unter Punkt 5.8 (Prozesssteuerung) wird aufgeführt: Entsprechend den Vorschriften der DIN EN 50156-1 (VDE 0116-1) sind sicherheitstechnisch relevante Abläufe separat und unabhängig von der Prozesssteuerung als Hardware- oder gegebenenfalls als Software-Ausführung zu installieren. Hierbei sind u.a. auch folgende technische Regeln zu beachten: DIN EN 267, DIN EN 676, DIN EN 746-1, DIN EN 746-2, DIN EN 12828, DVGW-TRGI G 600. 4
Grundlage der Betrachtungen sind die Ausführungen in folgenden Normen: DIN EN 50156-1 (Elektrische Ausrüstung von Feuerungsanlagen) DIN EN 746-2 (Industrielle Thermoprozessanlagen, - Sicherheitsanforderungen an Feuerungen und Brennstoffführungssysteme) 5
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Anforderungen aus der DIN EN 50156-1 (Stand 2004) Abschnitt 1 Anwendungsbereich Diese Norm gilt für die Anwendungsplanung und Errichtung von elektrischer Ausrüstung, Leittechnik und Sicherheitssystemen für Feuerungen, die mit festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen betrieben werden und ihren Nebenanlagen. Sie legt Anforderungen dafür fest, die Betriebsbedingungen in Feuerungsanlagen zu erfüllen, die Risiken der Verbrennung zu reduzieren, und die beheizten Systeme vor Schäden zu schützen. Solche Feuerungsanlagen und die elektrische Ausrüstung können z.b. Bestandteil von folgenden Anlagen sein:. b) Dampfkesselanlagen (Dampf-Heizkessel) und Abhitzekessel. e) Wärmeübertragungsanlagen. 7
Anforderungen aus der DIN EN 50156-1 (Stand 2004) Abschnitt 3.40 Schutzsystem Alle Einrichtungen, Geräte und Sicherheitsstromkreise deren Hauptzweck dem Schutz von Personen, der Anlage oder der Umwelt dient. Das System beinhaltet alle Komponenten die zur Ausführung der Sicherheitsfunktionen erforderlich sind, z.b. Signalgeber, die sicherheitsrelevanten Größen (z.b. Flammenwächter), Geräte für die Unterbrechung der Brennstoffzufuhr, die Belüftung des Feuerraumes und den Schutz des beheizten Systems. Ein Schutzsystem besteht typischer Weise aus Signalgebern, einer Schutzeinrichtung, die die Signale logisch verarbeitet und Stellgeräten. 8
Anforderungen aus der DIN EN 50156-1 (Stand 2004) Abschnitt 3.42 sicherheitsbezogene Anforderungsstufe Wahrscheinlichkeit eines sicherheitsgerichteten Systems, all die geforderten Sicherheitsfunktionen unter allen Bedingungen innerhalb einer festgelegten Zeitspanne zufriedenstellend auszuführen. Es gibt 4 mögliche diskrete Stufen die für die Festlegung der sicherheitsbezogenen Zuverlässigkeits-Anforderungen der Sicherheitsfunktionen, die dem sicherheits-relevanten System zuzuordnen sind. Sicherheitsanforderung 4 hat das höchste Niveau der sicherheitsbezogenen Zuverlässigkeit, Stufe 1 die niedrigste. 9
Anforderungen aus der DIN EN 50156-1 (Stand 2004) Abschnitt 4.1 Allgemeine Betrachtungen. Risiken, die mit Gefahren durch die elektrische Ausrüstung verbunden sind (und auch durch das Verfahren) verbunden sind, müssen als Teil der Gesamtanforderung für die Risikobewertung von Feuerungs- oder Kesselanlagen beurteilt werden. Die Risikobewertung muss für jede einzelne Situation durchgeführt werden. Die Risikobewertung enthält folgende Elemente, für die die Norm Anleitung gibt: a) Feststellung der Gefahren b) Ermittlung der Wahrscheinlichkeit aller Gefahren c) Bewertung der Risiken d) Betrachtung von Maßnahmen zur Reduzierung der Risiken 10
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Anforderungen aus der DIN EN 746-2 (Stand 2011) Abschnitt 5.2.3.2 Vorspülung der Brennkammer -Der Brenneranlauf oder Wiederanlauf nach einer Störabschaltung darf erst erfolgen wenn sichergestellt ist, dass sich in der / den Brennkammer/n inkl. der verbundenen Bereiche der Abgasanlage kein brennbares Gemisch mehr befindet. (in einen Krematoinsofen heißt das im Ofen und im Abgasweg bis zum Schornsteineintritt) -Die Dauer der Vorspülung muss sicherstellen, dass die Konzentration brennbarer Bestandteile in allen Teilen unterhalb von 25% der unteren Zündgrenze des Brenngases liegt. -Im allgemeinen sind 5 vollständige Luftwechsel von der / den Brennkammer/n mit den verbundenen Bereichen des Abgasweges ausreichend, Der Luftvolumenstrom für die Vorspülung muss mindestens 25% des maximal möglichen Brennerluftvolumenstroms betragen. -das System, das die Dauer der Vorspülung und die erforderliche Luftmenge sicherstellt muss den Anforderungen des Schutzsystems nach DIN EN 50156-1 entsprechen. 12
Anforderungen aus der DIN EN 746-2 (Stand 2011) Abschnitt 5.2.3.2 Vorspülung der Brennkammer Ausnahmen!! Auf eine Vorbelüftung mit 5-fachem Luftwechsel kann verzichtet werden: -wenn sichergestellt ist, dass in der Brennkammer eine Temperatur > 750 C herrscht -wenn bei einem Mehrbrennersystem mindestens 1 Brenner in Betrieb bleibt, dies gilt auch bei Brennerstörungen (z.b. nach Flammenausfall) -wenn nach einer Regelabschaltung der Brenner nach Temperaturanforderung erneut startet, solange der Brenner mit 2 gleichzeitig schließenden Ventilen der Klasse A nach EN 161 sowie einer Ventildichtheitskontrolle ausgerüstet ist 13
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Berechnung der Vorspülzeit bei 5-fachen Luftwechsel Abgasvolumen zwischen Ofen und Schornstein Ofen: 5,10 m³ Fuchs zwischen Ofen und AWT: 5,60 m³ Abgaswärmetauscher (AWT): 1,45 m³ Abgasrohr zwischen AWT und Filter: 0,75 m³ Drallabscheider (Zyklon): 0,05 m³ Filter: 4,00 m³ Abgasweg zwischen Filter und Schornstein: 0,90 m³ Gesamtabgasvolumen: 17,85 m³ Bei einem 5-fachen Luftwechsel müssen 89,25 m³ Brennerluft gefördert werden 15
Berechnung der Vorspülzeit bei 5-fachen Luftwechsel Brennerluftvolumenstrom bei maximaler Feuerungsleistung eingestellte maximale Feuerungsleistung von 1000 kw 1250 m³/h Brennerluftvolumen 0,35 m³/sek Brennerluftvolumen Berechnung der Vorspülzeit nach DIN EN 746-2 Vorspülzeit bei 100 % Brennerluftvolumenstrom = = = Abgasvolumen 5-fach Brennerluftvolumen in der Min. 89,25 m³ 0,35 m³/sek 255 Sekunden 16
Berechnung der Vorspülzeit bei 5-fachen Luftwechsel Bei einer Besprechung mit einer ZÜS über diese Steuerung kam zur Sprache, dass in Anlehnung an die TRD auch ein 3-facher Luftwechsel ausreichen könnte Bei 3-fachem Luftwechsel würde sich die Vorspülzeit, unter Berücksichtigung der vorgenannten Eckdaten für Abgasvolumen und Brennerluftvolumenstrom, von 255 Sekunden auf 153 Sekunden reduzieren. Dies gilt jedoch nur, wenn keine fallenden Züge vorhanden sind und mindestens mit 50% des maximal möglichen Brennerluftvolumenstroms vorgelüftet wird. ZÜS = zugelassene Überwachungsstelle z.b. TÜV 17
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Aufgrund der vorgenannten Vorschriften und Richtlinien ergeben sich für die Umsetzung in Kremationsanlagen folgende Fragen: Welche Temperaturmessung in einem Kremationsofen ist für die Mindesttemperaturüberwachung von 750 C relevant? Bei welchen Betriebszuständen ist die geforderte Vorbelüftung mit 5-fachem Luftwechsel erforderlich? Welche Anforderungen an die Vorspülung des Abgaswegs besteht bei dem Wiederanfahren nach Auslösung der Sicherheitskette? Mit welcher Sensorik und mit welchem System kann sichergestellt werden, dass die geforderte Spülluftmenge auch tatsächlich den Abgasweg durchströmt? Wie muss ein Steuerungssystem dass alle genannten Forderungen, insbesondere die Forderung Schutzsystem nach DIN EN 50156-1 erfüllt aufgebaut sein? Wie sieht es mit bestehenden Anlagen und Steuerung aus? Muss aufgrund der neuen Forderungen aus der VDI 3891 nachgerüstet werden? 19
Welche Temperaturmessung in einem Kremationsofen ist für die Mindesttemperaturüberwachung von 750 C relevant? Messstelle für die Mindesttemperaturüberwachung ist die Temperaturmessung in der Hauptbrennkammer. Nur in dieser Brennkammer können die brennbaren Schwelgase entstehen. Die Temperaturmessung für die Hauptbrennkammer muss der geforderten Sicherheitsstufe für das Schutzsystem entsprechen Aufgrund der niedrigen Regeltemperatur in der Hauptbrennkammer (max. 800 C) kann überlegt werden die Grenztemperaturüberwachung auf 700 C herabzusetzen. (die Zündtemperatur von CO liegt bei 605 C) (Dies muss noch abschliessend mit der ZÜS abgeklärt werden) 20
Bei welchen Betriebszuständen ist die geforderte Vorbelüftung mit 5-fachem Luftwechsel erforderlich? Bei jedem Neustart des Ofens z.b Start bei Schichtbeginn muss der Ofen mit einem 5-fachen Luftwechsel durchspült werden Bei jedem Neustart eines Brenners, solange keine der vorgenannten Ausnahmebedingungen erfüllt ist. 21
Welche Anforderungen an die Vorspülung des Abgaswegs besteht bei dem Wiederanfahren nach Auslösung der Sicherheitskette? Solange die Hauptbrennkammertemperatur > 750 C ist, kann der Ofen nach Entriegelung der Sicherheitskette ohne Vorspülung mit 5-fachem Luftwechsel wieder angefahren werden Bei einer Hauptbrennkammertemperatur < 750 C ist folgende Vorgehensweise denkbar: Die Entriegelung der Sicherheitskette darf erst erfolgen, wenn ein eingewiesener Bediener sich visuell davon überzeugt hat, dass in der Hauptbrennkammer eine Flammenbildung am Einäscherungsgut erfolgt ist. Der Vorgang ist im Betriebsbuch der Anlage mit Name Datum und Zeit zu dokumentieren. Ein Neustart der Brenner kann, in diesem Fall, ohne Vorspülung mit 5-fachem Luftwechsel erfolgen ACHTUNG!!!! Diese Vorgehensweise ist in jedem Fall mit der ZÜS vorab abzustimmen 22
Mit welcher Sensorik und mit welchem System kann sichergestellt werden, dass die geforderte Spülluftmenge auch tatsächlich den Abgasweg durchströmt? Analoge Signale an das Steuerungssystem in Ausführung als Schutzsystem nach DIN EN 50156-1 -Erfassung des Abgasvolumenstromes mittels Strömungsmessung hinter dem Saugzuggebläse (das Abgasvolumen entspricht mindestens der berechneten Brennerluftmenge für die Vorbelüftung) -Erfassung der Drehzahl des Saugzuggebläses mittels einer sicherheitsgerichteten Messung (Istwert entspricht einer vorher festgelegten Mindestdrehzahl) -Erfassung des Ofenunterdruckes in der Hauptbrennkammer (Unterdruck im Ofen ist 0 mbar) 23
Mit welcher Sensorik und mit welchem System kann sichergestellt werden, dass die geforderte Spülluftmenge auch tatsächlich den Abgasweg durchströmt? Digitale Signale an/vom Steuerungssystem in Ausführung als Schutzsystem nach DIN EN 50156-1 - Saugzuggebläse ist in Betrieb - Brennerluftgebläse ist freigegeben und in Betrieb - Luftdruckschalter hat durchgeschaltet (Min-Druck vorhanden) - Luftklappe Hauptbrenner ist auf - Luftklappe Ausbrenner ist auf - Luftklappe Nachbrenner ist auf 24
Wie muss ein Steuerungssystem dass alle genannten Forderungen, insbesondere die Forderung Schutzsystem nach DIN EN 50156-1, aufgebaut sein? Festlegung der Sicherheitanforderungsstufe für das Steuerungssystem Die Sicherheitsanforderungsstufe ist ein Begriff aus dem Gebiet der funktionalen Sicherheit und wird in der internationalen Normung gemäß IEC 61508/IEC61511 auch als Sicherheits-Integritätslevel (SIL) bezeichnet. Sie dient der Beurteilung elektrischer/elektronischer/programmierbar elektronischer Systeme in Bezug auf die Zuverlässigkeit von Sicherheitsfunktionen. Aus dem angestrebten Level ergeben sich die sicherheitsgerichteten Konstruktionsprinzipien, die eingehalten werden müssen, damit das Risiko einer Fehlfunktion minimiert werden kann 25
Wie muss ein Steuerungssystem dass alle genannten Forderungen, insbesondere die Forderung Schutzsystem nach DIN EN 50156-1, aufgebaut sein? Festlegung der Sicherheitanforderungsstufe für das Steuerungssystem Je höher der Zahlenwert (1-4) des SIL ist, desto größer ist die Risikoreduzierung. Der SIL ist damit das Maß der Wahrscheinlichkeit, dass die Sicherheitssysteme die geforderten Funktionen für einen bestimmten Zeitraum erfüllen max. akzeptierter Ausfall des SIS SIL 1 = ein gefährlicher Ausfall in 100.000 Stunden SIL 2 = ein gefährlicher Ausfall in 1.000.000 Stunden SIL 3 = ein gefährlicher Ausfall in 10.000.000 Stunden SIL 4 = ein gefährlicher Ausfall in 100.000.000 Stunden 26
Festlegung der SIL-Klasse für Krematorien mit der qualitativen Methode Die qualitative Methode ist ein vereinfachtes Modell, das gut aufzeigt, bei welchen Gefahren welcher SIL gefordert ist X X X X 27
Festlegung der SIL-Klasse für Krematorien mit der qualitativen Methode Aus der eben durchgeführten vereinfachten Gefahrenanalyse ergibt sich eine Sicherheitsanforderungsstufe für das Brennersteuerungssystem: SIL 2 28
Wie muss ein Steuerungssystem dass alle genannten Forderungen, insbesondere die Forderung Schutzsystem nach DIN EN 50156-1, aufgebaut sein? Das Steuerungssystem muss den Anforderungen der SIL 2 entsprechen. Neben der Steuerung und Überwachung der Gasbrenner muss dieses System auch die unterschiedlichen Vorbelüftungen sicher steuern, regeln und überwachen Durch die Komplexität der Anforderungen an das Steuerungssystem sollte eine freiprogrammierbare Steuerung (fehlersichere SPS) zum Einsatz kommen. Die momentan eingesetzten Feuerungsautomaten ( BCU, IFS, LFL ) können insbesondere die Überwachung der Vorbelüftung nicht, wie gefordert, abbilden. Es ist noch zu klären, ob ein marktgängiges Feuerungsmanagmentsystem durch Umprogrammierungen und Umparametrierungen den genannten Anforderungen entsprechen kann 29
Wie muss ein Steuerungssystem dass alle genannten Forderungen, insbesondere die Forderung Schutzsystem nach DIN EN 50156-1, aufgebaut sein? Die in den bestehenden Anlagen installierte Sensorik und Aktorik für die Brenner und entsprechenden Gebläse (SZG und BLG) kann beibehalten werden. Der vorhandene Keilriemenwächter des Saugzuggebläses muss durch eine Drehzahlüberwachung nach SIL 2 ersetzt werden. Der Messumformer für das Thermoelement HBK muss durch einen Messumformer nach SIL 2 ersetzt werden. Zusätzlich muss eine Volumenstrommessung im Abgaskanal nach dem Saugzuggebläse und pro Brenner ein Flammenwächter für Ionisationsüberwachung installiert werden. ACHTUNG Das Steuerungssystem muss vor der Inbetriebnahme an der Anlage durch eine ZÜS abgenommen werden 30
Nachrüstung des Schutzsystem in einer bestehenden Anlage Schutzsystem nach DIN EN 50156-2 SPS/DDC Signalaufschaltung zur Abschaltung Brenner Kommunikation über Bussystem (Profibus) oder Hardwareschnittstelle Signalaufschaltung zur Visualisierung vorhandene SPS/DDC Ofenlinie Anderes Fabrikat = Kommunikation / Datenaustausch 31
Integration des Schutzsystem bei Neubau einer Anlage Aufschaltung Der Sicherheitsgeräte Schaltbefehle neue SPS Ofenlinie = Kommunikation / Datenaustausch 32
Wie sieht es mit bestehenden Anlagen und Steuerung aus? Muss aufgrund der neuen Forderungen aus der VDI 3891 nachgerüstet werden? Nach Rücksprache mit einer ZÜS besteht für die vorhandenen Anlagen und Steuerungen Bestandsschutz Bei wesendlichen Änderungen an der Anlage (z.b. Erneuerung der Feuerungen oder der Anlagensteuerung) müssen allerdings die neuen Anforderungen an die Brennersteuerung und -regelung umgesetzt werden. 33
Inhalt Herleitung aus der VDI 3891 Anforderungen aus der DIN EN 50156-1 Anforderungen aus der DIN EN 746-2 Berechnungen Fragen zur Umsetzung in Krematorien Zusammenfassung und Fragen 34
Zusammenfassung - Die wesendliche Änderung im Normenwerk zur Brennersteuerung an Kremationsöfen bezieht sich auf die Vorbelüftung der Rauchgaswege - Die Vorlüftzeit errechnet sich aus dem tatsächlich vorhandenem Volumen des Abgasweges der jeweiligen Ofenlinie, dem maximalen Brennerluftvolumenstrom auf Grund der eingestellten maximalen Brennerleistung am Ofen und der Anforderung wievielmal ( 3/5 x) durchlüftet werden muss - Die Überwachung der Vorbelüftung mit einem ausreichenden Luftvolumenstrom ist in das Schutzsystem der Brennersteuerung zu integrieren - Zur Festlegung der Sicherheitsanforderungsstufe des Schutzsystems ist immer eine Gefahren-/Risikoanalyse nötig - Das Schutzsystem ist nach der Installation und vor der endgültigen Inbetriebnahme durch eine ZÜS abzunehmen, eine ZÜS sollte schon bei der Planung mit einbezogen werden - Für bereits vorhandene und in Betrieb befindliche Anlagen besteht Bestandsschutz 35
Fragen? 36
11. Workshop Krematorien 9. und 10. April 2014 in Bremen Neue Anforderungen an Brennersteuerungen für Kremationsöfen unter Berücksichtigung der neuen VDI 3891 (Stand März 2013) Vielen Dank für Ihr Interesse Quellen: VDI 3891 (Stand März 2013), DIN-EN 50156-1 (Stand 2004), DIN-EN 746-2 (Stand 2011) und Siemens Broschüre process AUTOMATION April 2007